Закономерности, связывающие электрические, тепловые и механические свойства твердых тел Палчаев, Даир Каирович

Введение к работе

Актуальность работы определяется необходимостью повышения эффективности применения существующих в природе, а так же вновь синтезируемых материалов. Эта проблема может быть решена путем тщательных экспериментальных исследований и математической интерпретации свойств как можно большего круга веществ f конденсированном состоянии с различной структурой и типом межатомной связи. Разработка новых материалов с заданными эксплуатационными характеристиками, в свою очередь, предполагает установление критериев их достнжения на основе детального анализа природы свойств твердых тел Теоретические исследования в этом плане затруднены тем что при построении энергетического спектра электронов н соответствующих расчетах делаются многочисленные приближена которые сводят х^ишшму возможность не только количественных но «'качественных оценок многих свойств Наиболее плодотворен путь э«кГ^ТгаЗ свойста Обнаружение корреГциТ а тем ЇЇГеГ 1о^ьш!іх сЗй свойста твердьіГІл способствует установлені noLa ме^том^ого

На практике чаще всего востребованными оказываются электрические
свойства металлов, механические свойства хрупких тел и тепловые свойства
как металлов, так и хрупких тел. Поэтому в экспериментальном плане при вы
полнении диссертационной работы уделялось внимание изучению электриче
ских и тепловых свойств легкоплавких многовалентных металлов, а также теп
ловых и механических свойств карбидокремниевых материалов. Как те, так и
другие материалы находят широкое применение в энергетике, космической и
авиационной технике, металлургии, микроэлектронике и др. Несмотря на то,
что легкоплавкие металлы в III-VI фуппах таблицы элементов Д.И.Менделеева
ггоедставляют из себя объекты удобные для изучения как в твеодом так и в
жидком состояниях, ввиду легкоштавкостии незпачительной Ткисляемостн,
для них в отличие от многих поутих металл on отсутствовали достоверные
данных ,по электросопротимениГСравнительно меньше внимания уделялось
этим металлам и при исследованиях тепловых crойctb хотя они широко не-
пользуются в полупроводниковой технике. ,

Интерес к карбидокремниевым материалам был вызван тем, что в последнее время большое внимание уделяется разработке новых жаропрочных керамических материалов, в частности, на основе карбида кремния, способных выдерживать высокие термомеханические нагрузки. Причем, в карбидокремниевых материалах практически отсутствует пластическая деформашія перед разрушением в широком интервале температур. Такое свойство материала по-зволяет однозначно судить о роли сил межатомного взаимодействия при формированин как механических, так и тепловых свойств.

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в изучении корреляции электрических, тепловых и механических свойств, в значительной мере определяемых потенциалом притяжения и установлении закономерностей формирования этих свойств в конденсированных средах. В процессе выполнения работы решались следующие задачи: !.Анализ проблеК-и исследоврния природы формирования теплс:ч«х, электрических и механических свойств и обнаружение связи между ними. 2.Оценка применимости гармонического и квазигармонического приближений для описания свойств, обусловленных ангармонизмом колебаний атомов. 3.Разработка методик исследования комплекса электрических, тепловых и механических свойств и получение достоверных экспериментальных данных по тепло- и электропроводности, тепловому расширению чистых веществ, а так же комплексу механическігх и тепловых свойств композицион-ных материалов. 4.Расчеты свойств на основе теоретических выражений и анализ поправок к этим выражениям на неизохорность процессов формирования энергетических спектров фононов и электронов. 5.Определение связи между рассеянием электронов и фононов на тепловых колебаниях атомов с объемными изменениями веществ на основе достоверного материала, полученного путем обобщения литературных данных совместно с результатами собственных исследований. 6.Изучение связи между тепловыми и механическими свойствами для чистых веществ, в том числе соединений, образующих каркас карбидокремнневой керамики, на основе достоверных данных по этим свойствам. 7.Сопоставление параметров, задающих характер температурных зависимо-стей свойств веществ, следующих из теории и обнаруживаемых на основе эмпирических корреляций свойств.

Научная новизна работы. Впервые комплексно рассмотрена проблема изучения зависимости кинетических свойств от теплового расширения твердых тел и установлены следующие закономерности:

1.Отношение электросопротивления металлов, обусловленного рассеянием электронов тепловыми колебаниями атомов, к произведению коэффициента теплового расширения на температуру является величиной постоянной, независящей от температуры в твердом и жидком состояниях. 2.Отношение фононного теплосопротивления к произведению коэффициента теплового расширения на температуру для твердых тел с различной кристаллической структурой и типом межатомных связей является величиной постоянной, независящей от температуры. 3.Впервые установлены характеристические фононные электро- и теплосопротивления. Дана микроскопическая расшифровка этих параметров.

4.Показано. что при прочих равных условиях, критерием высоких значений электро- и теплопроводности твердых тел являются низкие значения коэффициента теплового расширения.

5. Получены формулы, количественно описывающие температурные зависимости электропроводности чисть'.* металлов и фононной теплопроводности чистых монокристаллических веществ.

б.Впервые показано, что изменения длины свободного пробега электронов в металлах однозначно связано с изменением тепловой деформации при изобарном изменении температуры.

7.Впервые показано, что изменение рремели релаксации в процессах рассеяния фононов на фононах однозначно определяется величиной, обратной произведению изобарной тепловой деформации на теплоемкость кристалла.

1. Предложены новые критерии перехода материалов в сверхпроводящее состояние.

2. Впервые указано на возможность существования в природе высокотемпературной фононной сверхтеплопроводности.

На защпту выносятся:

1 .Конструкции экспериментальных установок для исследования электропроводности и плотности веществ в твердом и жидком состояниях, а так же комплекса тепловых и механических свойств неметаллических хрупких материалов.

2.Результаты экспериментальных исследований и расчетов температурной зависимости электросопротивления, а также результаты экспериментальных исследований плотности чистых легкоплавких многовалентных металлов в твердом и жидком состояниях.

3.Результаты экспериментального исследования комплекса тепловых свойств и расчетов теплосопротивления монокристаллов кремния, хлорида натрия, диоксида алюминия, диоксида кремния в зависимости от температуры, а так же результаты экспериментального исследования комплекса тепловых и механических свойств карбидокремниевон керамики с различными спекающими добавками.

^Закономерность, свидетельствующая о том, что отношение фононного электросопротивления к произведению коэффициента теплового расширения на температуру является величиной постоянной, характеристической для каждого материала.

5. Закономерность, свидетельствующая о том, что отношение фононного теплосопротивления к произведению коэффициент теплового расширения на температуру является величиной постоянной, характеристической для каждого вещества.

б.Микроскопическая расшифровка характеристических фононньгх электро- и теплосопротивлений, а так же формулы, количественно описывающие тем-пературі^ф&онньїх электро- и теплосопротивлений.

7.Результаты, свидетельствующие об однозначной связи изменений длин свободного пробега электронов и фононов и изобарной тепловой деформации чистых веществ. 8.Корреляции тепловых и механических свойств карбидокремниевых керамик

с различными спекающими добавками близки к функциональным. 9.Гнпотезы г» единстве лрчроды рассеяния крязичастиц на тПрактическая ценность определяется следующим:

1. методики исследования электрических (АС N 1006987),тепловых и механических свойств, (ПМ № 94028735/20), а также методы получения образцов (АС № 1506843) не только обогащают технику физического эксперимента, но могут быть реализованы и в промышленности;

2. результаты экспериментальных исследований легкоплавких металлов и сплавов, а также карбидокремниевых материалов могут служить в качестве рекомендуемых. Они нашли применение при разработке достоверных (справочных) данных по свойствам легкоплавких многовалентных металлов в теплофизическом центре ИВТ АН СССР и разработке конструкционного керамического материала на основе карбида кремния, предназначенного для эксплуатации при температурах 1600-1700С и нагрузках 600 МПа по заказу НПО "Технология";

3. обнаруженные корреляции свойств позволяют определять не только одни свойства через другие, но и прогнозировать свойства вновь создаваемых материалов;

4. получены формулы для расчета значений фононных электро- и теплосо-противлений материалов;

5. установлены критерии перехода материалов к предельно низким значениям фононных электро-и тешюсопротивлений материалов.

Совокупность эмпирических закономерностей, приведенных в работе, открывает перспективу построения теории рассеяния квазичастиц в конденсированных средах, явно учитывающей энгармонизм колебаний атомов.

Научные результаты данной работы используются при чтении спецкурсов: "Механические свойства твердых тел", "Электронная структура и свойства металлов", "Энергетический спектр фононов и тепловые свойства твердых тел", "Ангармонические эффекты в твердых телах", а также постановке лабораторных работ по этим курсам, (издано пять методических разработок и одно учебное пособие).

Апробация работы. Основные результаты докладывались на V,VI, VIII Всесоюзных конференциях по теплофнзическим свойствам веществ (Киев-

1974, Минск-1978, Новосибирск-]988), на I-V Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлов и шлаковых расплавов (Сведловск-1975, 1976, 1978, 1980, 1983), на III, IV Всесоюзных конференциях "Термодинамика и материаловедение полупроводников" (Москва-1986,1989), на X, XI, XII Всесоюзных конференциях "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск-1986,1988,1990), на II Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" (Житомир-1985), на ХХШ Международной конференции по керамике (Карловы Зары-1987), на 9 Теплофизнческой конференции СНГ (Махачкала-1992) на Пер,ой и Второй Российских национальных конференциях по теплообмену ГЛосква-1994 1998) на Всесоюзных совещание "Интерэлектро-78" и "Керамика-86" (Москва-1978 1986) на Всесоюзном семинаре мХонеоднородность и многочастичные эффекты в металлических расплавах" Юдесса-1981) на Всесоюзном совещании по явлениям переносав Le^mbpc расплавах (Махачкала-1973) на III Всесоюзне Увещании

Публикации. Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 85 работ и один обзор ТФЦ, получено 2 авторских свидетельства, 1 патент, 1 свидетельство на полезную модель.